iOS-底层探索05：类的结构分析

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一、前言

上一篇文章iOS 对象的本质我们分析了对象的底层结构，并在iOS isa底层结构分析中提到了 对象，类，元类，根元类等概念，这篇文章我们就一起来分析类的底层结构到底是什么。

在开始探究之前，先补充一下 内存偏移 的概念，主要是为了更好理解后面的类的结构体。

int c[4] = {1,2,3};             // 这里先定义一个int数组 c
int *d   = c;                   // 然后定义一个指针d指向 c
NANSLog(@"%p - %p - %p - %p",&c,&c[0],&c[1],&c[2]);
NANSLog(@"%p - %p - %p",d,d+1,d+2);
打印结果：0x7ffeefbff500 - 0x7ffeefbff500 - 0x7ffeefbff504 - 0x7ffeefbff508
打印结果：                 0x7ffeefbff500 - 0x7ffeefbff504 - 0x7ffeefbff508
看这里我们会发现 数组c 的地址 和 c[0] 是同一个地址， 而指针d也是等于 数组c的首地址
并且通过指针d+1，d+2 也能找到数组相应的元素，所以说通过指针偏移可以指向接下来连续的内存地址。

二、类的结构分析

1. 类的底层实现

我们都知道，所有的类都是继承于NSObject，那NSObject本身不就是一个类吗？下面先结合源码来看一下

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
    }
    return 0;
}

通过NSObject点击进入底层

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}

这里我们可以看到 NSObject里面仅有一个Class isa，那么这个Class又是什么，继续点进去

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

这里我们可以看到Class是一个结构体，也就是之前说到的，类的本质就是一个结构体。而objc_class 又是继承自objc_object， 这也说明了我们常说的万物皆对象。

  • NSObject本身是一个类，在底层实现就是objc_class。
  • objc_object是c的结构类型，NSObject是OC的类型，NSObject就是对objc_object的封装。

objc_object和objc_class关系图如下：

objc_object和objc_class关系图

2. 类的属性、方法、成员变量、协议...分析

上面我们知道了类的结构是什么样的，那么类里面具体都包含了一些什么内容呢，下面我们就来分析一下objc_class

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;              // 8字节
    Class superclass;          // 8字节
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable   16字节
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }
    void setData(class_rw_t *newData) {
        bits.setData(newData);
    }
....省略后面的代码.....
}

1.第一个属性Class ISA 被注释掉的，意思就是从父类继承过来的，我们进入 objc_object里面可以看到只有一个isa，占用8个字节。

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:
    // ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
    Class ISA();

....省略后面的代码.....
};

2.第二个属性Class superclass父类，一个指针占用8个字节。
3.第三个属性cache_t cache一个结构体，顾名思义是一些缓存的信息，总共占用16个字节

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets; // 结构体指针8个字节
    explicit_atomic<mask_t> _mask; //typedef uint32_t mask_t; int占4字节
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;
    
   ....省略.....

#if __LP64__
    uint16_t _flags;// 2字节
#endif
    uint16_t _occupied;// 2字节
}

其他的static变量和方法均不存在结构体内存中，因此不占内存

....省略后面的代码.....

4.第四个属性bits是什么？这里我们来看一下。

typedef unsigned long           uintptr_t;
struct class_data_bits_t {
    // 相当于 unsigned long bits; 占64位
    // bits实际上是一个地址（是一个对象的指针，可以指向class_ro_t，也可以指向class_rw_t）
    uintptr_t bits;
... 省略...
}

从这里可以看到bits应该就是一个64位的数据段，那么里面存了什么数据呢，还要继续往下分析。

在class_data_bits_t bits的注释：class_rw_t * plus custom rr/alloc flags，意思是class_data_bits_t就相当于class_rw_t * 加上rr/alloc标志。它提供了data()方法返回class_rw_t *指针。
而在bits后面就紧接着声明了一个 class_rw_t * 指针，通过bits.data()返回，接下来就来看看这个bits.data()

 class_rw_t *data() {
     // 这里的bits就是上面定义的class_data_bits_t bits;
     return bits.data();
 }

class_rw_t* data() const {
     // FAST_DATA_MASK的值是0x00007ffffffffff8UL
     //(lldb) p/t 0x00007ffffffffff8    打印二进制 看一下
     //(long) $0 = 0b0000000000000000011111111111111111111111111111111111111111111000
     // bits和FAST_DATA_MASK按位与，实际上就是取了bits中的[3,46]共44位
     return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
 }

那么这个class_rw_t *是什么呢？

struct class_rw_ext_t {
    const class_ro_t *ro;
    method_array_t methods;
    property_array_t properties;
    protocol_array_t protocols;
    char *demangledName;
    uint32_t version;
};

struct class_rw_t {
    // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
    uint32_t flags;
    uint16_t witness;
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    uint16_t index;
#endif

    explicit_atomic<uintptr_t> ro_or_rw_ext; 

    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;

private:
    ...省略代码
public:
     ...省略代码
    const class_ro_t *ro()
    void set_ro(const class_ro_t *ro)
    const method_array_t methods() 
    const property_array_t properties()
    const protocol_array_t protocols()

在这个 class_rw_t结构体中我们发现这里有methods（方法）、properties（属性）、protocols（协议）这些信息，那么我们所需要的类中的方法、属性、成员变量等信息是不是在这里存储的呢？下面我们就用代码来验证下。

@interface NAPerson ()
{
    NSString *hobby;
}

@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;
- (void)sayHello;
+ (void)sayHappy;

@end

先定义一个NAPerson类，里面有 属性:nickName、 成员变量:hobby、 对象方法:sayHello、 类方法:sayHappy
然后我们通过lldb指令打印查看，结合上面的分析，来看看这几个成员都存储在了什么地方

类的地址

在找bits的时候是通过内存偏移方法来找到，这也就是开头先补充的内存偏移的概念。 因为在objc_class的结构中，isa占8字节，superclass占用8字节，cache占用16个字节，将cls的地址偏移32个字节即0x20便是bits的地址。

获取类的首地址有两种方式

  • 通过p/x CJLPerson.class直接获取首地址
  • 通过x/4gx CJLPerson.class，打印内存信息获取
    两种获取类的内存地址方式

注意：这里获取bits是通过类的内存地址加上偏移量而不是通过isa的地址加上偏移量，这也是类和数组不同的地方。类的地址也是第一个元素地址，只是通过x/4gx 读出来的是类地址后面存的值，不是第一个元素地址。isa的地址比类的地址低(0x28)40字节(当我们实现了类之后就会直接去处理元类，所以类和元类是连续的，而类的大小 到bit 之后正好40在，这里涉及到内存平移到元类)。

通过查看class_rw_t定义的源码发现，结构体中有提供相应的方法去获取 属性列表、方法列表等

属性列表

方法列表

方法的符号绑定：对于v16@0:8
v表示方法的返回值为void
16表示方法参数的大小（通过clang编译的cpp文件可知该方法存在两默认的参数：(NAPerson * self, SEL _cmd)）
@表示方法的第一个参数类型
0表示方法的第一个参数占用内存的起始位置
:表示方法的第二个参数类型
8表示方法的第二个参数占用内存的起始位置
对于set方法会多一个参数所以方法的符号会有区别
关于参数类型编码参考这个链接

方法列表2

通过以上打印可以看到，在class_rw_t中找到了我们所定义的nickName属性、对象方法sayHello、nickName的setter/getter方法，但是成员变量hobby和类方法sayHappy都没有找到。
此时再从class_rw_t找一找其他线索，发现有一个const class_ro_t *ro()的方法，该方法返回一个常量结构体指针，那么我们要找的成员变量和类方法会不会在这里呢，点进去看一下

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;
    method_list_t * baseMethodList;  //方法列表
    protocol_list_t * baseProtocols; //协议列表
    const ivar_list_t * ivars;       //成员变量列表

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties; //属性列表

    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
....省略代码
}

进来一看发现，这里竟然跟class_rw_t看起来差不多，同样有方法、属性、协议列表，而且还有一个ivars 列表，那么这个ivars会不会就是成员变量列表呢。接下来继续用lldb指令来查看

打印ro

果然，我们定义的成员变量hobby是在class_ro_t里面的。同样在baseMethodList、baseProperties里面也找到了我们所定义的属性和对象方法，这里就不截图了。

此时我们来总结一下：

1.在class_rw_t里面存放的有methods、properties、protocols
2.在class_ro_t里有baseMethodList、baseProperties、baseProtocols、ivars
3.class_ro_t这个结构体是通过const定义，说明在编译时候就确定好了，后面取出来使用是不可以更改的。
4.成员变量不生成setter/getter方法，并且存在class_ro_t的ivars里面。
5.此时还有一个类方法sayHappy没有找到。

通过以上分析我们大概可以知道，类的属性、成员变量、方法、协议等信息存在什么位置了。但是class_rw_t和class_ro_t为什么会存了一些相同的信息呢？这就需要我们进一步的分析了。

3. 内的信息是如何存储的

通过前面的分析，在class_rw_t结构中可以拿到类的属性等相关信息了，class_ro_t结构中可以拿到类的成员变量等信息，由此就形成以这样的一个结构。

类中数据的存储结构

通过上图可以得出以下一些结论：

  • 通过@property定义的属性，会存储在bits属性中，通过bits --> data() --> properties() --> list获取属性列表，其中只包含属性
  • 通过{}定义的成员变量，也会存储在类的bits属性中，通过bits --> data() -->ro() --> ivars获取成员变量列表，除了包括成员变量，还包括属性定义的成员变量

4. 探索类方法存储位置

此时此刻我们就把class_rw_t 和 class_ro_t 存储类信息的过程探索的差不多了。
但是类方法sayHappy还没找到，既然我们在类里面没有找到sayHappy，那么我们想一下它会存到哪里呢？通过iOS isa底层结构分析这篇文章分析，猜想它会不存到元类里面去了，那就去元类找找看

元类探索1

元类探索2

从上图打印来看，我们在元类里面找到了类方法sayHappy，证明了类方法是存在元类里面的。此刻我们所生命的方法、属性、成员变量已经全部找到了，也大概了解了类的结构以及类的成员信息都存在哪里。

三、【百度面试题】objc_object 与 对象的关系

  • 所有的对象 都是以 objc_object为模板继承过来的
  • 所有的对象 是 来自 NSObject（OC） ，但是真正到底层的 是一个objc_object（C/C++）的结构体类型

【总结】objc_object 与 对象的关系 是 继承关系

总结

  • 所有的对象 +类 + 元类 都有isa属性
  • 所有的对象都是由objc_object继承来的
  • 类的本质是一个struct objec_class:objc_object结构体, 万物皆对象，类也- 是一个对象。
  • 属性会自动生成setter/getter方法，成员变量不会。并且属性在编译之后会生成带有_的成员变量存储在ivars里面。
  • 类的对象方法存在本类当中，而类方法存在元类中
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